陳 軍，楊孟哲，林 莉，羅忠兵

(大連理工大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)研究所，大連 116024)

珠光體組織轉(zhuǎn)變的非線性超聲表征

陳 軍，楊孟哲，林 莉，羅忠兵

(大連理工大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)研究所，大連 116024)

珠光體的過(guò)度球化會(huì)導(dǎo)致材料力學(xué)性能的下降，常規(guī)線性超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)材料的組織變化不敏感。采用不同的熱處理工藝對(duì)T8鋼試樣進(jìn)行處理，得到不同球化狀態(tài)的珠光體組織， 并建立了珠光體組織轉(zhuǎn)變的非線性超聲測(cè)量系統(tǒng)，試驗(yàn)測(cè)定了相應(yīng)的非線性參數(shù)β。結(jié)果表明，隨著珠光體球化程度增加，聲速和衰減系數(shù)無(wú)明顯變化，而非線性參數(shù)β呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)，可對(duì)材料的組織演化進(jìn)行表征。

珠光體球化；非線性參數(shù)；表征

壓力容器用碳素鋼和低合金鋼常溫組織為鐵素體加珠光體，珠光體中的鐵素體和滲碳體呈薄片狀相互間夾。這種片狀珠光體結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，溫度較高時(shí)，原子活動(dòng)力增強(qiáng)，擴(kuò)散速度增加，片狀滲碳體轉(zhuǎn)變?yōu)橹闋?，再逐漸聚成大球團(tuán)，從而使得材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、蠕變和持久極限等力學(xué)性能指標(biāo)下降，影響服役的安全性[1-2]。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)，但傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)方法對(duì)材料微觀組織的變化不敏感；有研究表明[3-4]，材料本身不連續(xù)的產(chǎn)生總是伴隨著某種形式的材料非線性力學(xué)行為，從而引起超聲波傳播的非線性(如波形畸變、高次諧波等)的產(chǎn)生，并且這種非線性效應(yīng)與材料細(xì)微組織變化和早期力學(xué)性能退化具有明顯的相互作用和依存關(guān)系。對(duì)此，很多學(xué)者進(jìn)行了大量研究[5-7]，但研究主要集中在微小缺陷引起的非線性行為上，而對(duì)組織變化引起的非線性行為的研究較少。目前一般采用金相觀察法確定珠光體球化級(jí)別，屬于有損檢驗(yàn)方法，其存在程序繁瑣、周期長(zhǎng)、不易實(shí)施等問(wèn)題。建立珠光體組織轉(zhuǎn)變的非線性超聲無(wú)損評(píng)價(jià)方法，對(duì)于快速簡(jiǎn)便地確定珠光體球化程度、保障材料的安全服役具有重要意義。

筆者對(duì)T8鋼試樣采用不同的熱處理工藝進(jìn)行處理，得到不同球化狀態(tài)的珠光體組織，并搭建了非線性超聲測(cè)量系統(tǒng)，試驗(yàn)測(cè)定了相應(yīng)的非線性參數(shù)β。結(jié)果表明，隨著珠光體球化程度的增加，非線性參數(shù)呈現(xiàn)明顯增加的變化趨勢(shì)，可對(duì)材料的組織演化進(jìn)行表征。

1 非線性超聲技術(shù)

傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)技術(shù)是利用超聲波在材料內(nèi)部的傳播過(guò)程中遇到缺陷時(shí)發(fā)生的反射、散射等行為來(lái)進(jìn)行缺陷檢測(cè)和評(píng)價(jià)的，本質(zhì)上反映的是缺陷和其周圍介質(zhì)的聲阻抗差別。非線性超聲檢測(cè)則是利用超聲波在材料中傳播時(shí)，材料的不連續(xù)處與有限振幅聲波相互作用產(chǎn)生的非線性效應(yīng)來(lái)進(jìn)行材料性能評(píng)估和微小缺陷檢測(cè)的方法，本質(zhì)上反映的是材料的不連續(xù)對(duì)超聲非線性參數(shù)的影響，這一特性使其在材料早期損傷(如組織變化、微孔洞、微裂紋等)的檢測(cè)與評(píng)價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用[8-11]。

實(shí)際材料內(nèi)部總是存在著晶界、相界、缺陷等不連續(xù)，在小范圍內(nèi)，應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)懦史蔷€性關(guān)系[8]：

式中:σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；E為楊氏模量；β和δ分別為二階和三階非線性參數(shù)。

固體介質(zhì)非線性的存在，使得超聲波與固體介質(zhì)發(fā)生非線性相互作用，從而產(chǎn)生高次諧波，此時(shí)，固體介質(zhì)內(nèi)一維縱波非線性波動(dòng)方程的前兩項(xiàng)可表示為：

式中:c為縱波聲速；u為位移；x為縱波傳播距離。

式(2)的解可表示為[12]：

式中:A1為基波幅值；k為波數(shù)；為角頻率。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試樣制備及組織觀察

試驗(yàn)用試樣的材料成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示，原始組織為片狀珠光體。試樣尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為50 mm×40 mm×6 mm，等溫球化退火工藝如圖1所示，將試樣加熱至760 ℃保溫若干小時(shí)，爐冷至680 ℃再保溫相同時(shí)間后爐冷至550 ℃后空冷，得到不同球化程度的珠光體組織。

表1 試樣的材料成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

圖1 球化退火工藝路線

將5個(gè)樣品用200～1 200號(hào)砂紙打磨后拋光，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，然后用金相顯微鏡觀察樣品顯微組織，試樣樣品編號(hào)、總保溫時(shí)間及球化程度如表2所示。

表2 保溫時(shí)間及球化程度

2.2 非線性參數(shù)測(cè)量

采用RAM-5000 非線性超聲檢測(cè)儀測(cè)量樣品的非線性參數(shù)β。測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖2所示，其中放大器用來(lái)增強(qiáng)入射波的振幅，發(fā)射有限振幅聲波；計(jì)算機(jī)將接收到的反射信號(hào)和透射信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到幅頻曲線，從而讀取基頻幅值和各個(gè)高倍頻諧波的幅值。所用發(fā)射探頭中心頻率為5 MHz，接收探頭中心頻率為10 MHz，探頭直徑均為10 mm。

圖2 非線性參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)框圖

2.3 聲速和衰減系數(shù)測(cè)量

用脈沖反射法測(cè)量試樣的聲速，探頭頻率為5 MHz，利用公式v=2T/t(v為聲速，T為試樣厚度，t為二次反射回波和三次反射回波的時(shí)間差)計(jì)算超聲波在試樣中的傳播速度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試樣的原始組織為片狀珠光體，經(jīng)過(guò)不同的熱處理工藝后，得到不同球化程度的珠光體組織，1#～5#樣品熱處理后的顯微組織如圖3所示。

由圖3可看出:熱處理時(shí)間不同，珠光體球化程度也不同，總保溫時(shí)間6 h的2#樣品還保留明顯的片狀形態(tài)，僅發(fā)生輕微球化;而總保溫時(shí)間18 h的5#樣品已嚴(yán)重球化。

不同熱處理工藝后，樣品的聲速和衰減系數(shù)分別如圖4,5所示，由圖可見(jiàn)，在珠光體組織有明顯變化的情況下，聲速和衰減系數(shù)都沒(méi)有明顯的變化。這是因?yàn)槁曀僦饕c材料的彈性模量和密度有關(guān)，而彈性模量是對(duì)組織變化不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)，不同的熱處理工藝對(duì)材料的彈性模量和密度影響不大，因此聲速?zèng)]有明顯變化。超聲衰減的物理原因有散射、位錯(cuò)阻尼、熱彈性效應(yīng)、聲波與磁疇壁相互作用等，而散射是其中的主要原因。在沒(méi)有宏觀缺陷和界面的情況下，散射造成的衰減很小，樣品有限長(zhǎng)度范圍內(nèi)，其他原因造成的衰減也很小，故衰減系數(shù)沒(méi)有明顯變化。

圖3 不同熱處理工藝試樣的顯微組織

圖4 不同熱處理工藝后樣品的聲速

圖5 不同熱處理工藝后樣品的衰減系數(shù)

圖6 不同熱處理工藝后樣品的非線性參數(shù)

從圖6可看出，隨著保溫時(shí)間的增加，非線性參數(shù)呈單調(diào)增加的趨勢(shì)。一方面，滲碳體的球化增加了鐵素體基體內(nèi)相界面的面積，聲波在傳播過(guò)程中非線性行為加劇；另一方面，滲碳體球化過(guò)程的同時(shí)也發(fā)生石墨化，即Fe3CFe+C(石墨)，部分C呈游離石墨狀態(tài)存在于鐵素體基體內(nèi)，最初石墨以細(xì)微的點(diǎn)狀存在，隨著保溫時(shí)間的增加，石墨逐漸長(zhǎng)大成球狀。石墨與基體的結(jié)合程度很弱，它的存在相當(dāng)于在材料內(nèi)部存在著微小裂紋，造成聲波傳播的畸變，導(dǎo)致非線性效應(yīng)加劇，非線性參數(shù)增大。

圖7 1#樣品的關(guān)系曲線

4 結(jié)語(yǔ)

基于非線性超聲的基本理論，建立了珠光體組織轉(zhuǎn)變的非線性超聲表征系統(tǒng)并進(jìn)行了測(cè)量試驗(yàn)。結(jié)果表明，珠光體組織轉(zhuǎn)變過(guò)程中，利用聲速、衰減系數(shù)等傳統(tǒng)超聲檢測(cè)參數(shù)不能很好地表征材料微觀組織的變化，而非線性參數(shù)呈現(xiàn)明顯增加的變化趨勢(shì)，可對(duì)材料的組織演化進(jìn)行表征。后續(xù)通過(guò)進(jìn)一步的研究，有望建立非線性參數(shù)-材料微觀組織-宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián)體系，為材料早期損傷和性能退化的無(wú)損評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

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Nonlinear Ultrasonic Characterization of Pearlite Transformation

CHEN Jun, YANG Meng-zhe, LIN Li, LUO Zhong-bing

(Nondestructive Testing & Evaluation Laboratory, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Over-spheroidization of pearlite will cause the degradation of material mechanical properties, whereas the conventional linear ultrasonic testing is not sensitive to this microstructure change. To achieve different spheroidization states of pearlite, different heat treatment profiles were applied to T8 steel samples. The nonlinear coefficientβwas measured correspondingly by the experimental system. Results showed that there was no notable change in ultrasonic velocity and attenuation coefficient with the increase of the spheroidization degree of pearlite. However, the nonlinear coefficientβshowed a significant increase and it can be used to characterize the microstructure evolution of the material.

Pearlite spheroidization; Nonlinear parameter; Characterization

2016-07-26

陳 軍(1965-),男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)椴牧蠠o(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

陳 軍，E-mail: chenjun@dlut.edu.cn。

10.11973/wsjc201702001

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0001-04